EP1334546B1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung des elektrischen startrotorwinkels - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ermittlung des elektrischen startrotorwinkels Download PDF

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EP1334546B1
EP1334546B1 EP01996915A EP01996915A EP1334546B1 EP 1334546 B1 EP1334546 B1 EP 1334546B1 EP 01996915 A EP01996915 A EP 01996915A EP 01996915 A EP01996915 A EP 01996915A EP 1334546 B1 EP1334546 B1 EP 1334546B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor angle
harmonic
determining
electric motor
electrical
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01996915A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1334546A2 (de
Inventor
Olaf Kunz
Gerhard Froehlich
Viktor Barinberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of EP1334546B1 publication Critical patent/EP1334546B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/185—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using inductance sensing, e.g. pulse excitation

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the electric starting rotor angle according to the preamble of the independent claims. From the article " C. Brunotte, W. Schumacher, EPE / 97, pages 1250 to 1253 , a procedure for determining the electric starting rotor angle is described. For this purpose, a permanent magnet synchronous motor with a sinusoidal current of 500 Hz is applied. From an occurring current, the spectrum is determined to determine the electrical rotor angle. Due to saturation effects and the resulting asymmetries of the current profile, the position of the coil-equipped stator of the synchronous motor with respect to the rotor equipped with permanent magnets can be determined. For example, based on a fast Fourier transformation is determined from the measured current profile of the coefficient of the second harmonic of the spectrum. This second harmonic coefficient is a measure of the electrical rotor angle.
  • the inventive method and apparatus are characterized by the fact that from the spectrum of the measured variable both fundamental (first harmonic) and the first harmonic wave (second harmonic) determined and set in relation to each other as a measure of the starting rotor angle of the electric motor, preferably synchronous motor.
  • first harmonic fundamental
  • second harmonic first harmonic wave
  • the inverter controlling the electric motor thus acts as a voltage generator.
  • the amplitude and the starting phase angle of the voltage to be fed in can be easily adapted to the respective motor.
  • the voltage is selected such that a high current flows for easier measured value detection, but on the other hand the motor is not yet set in motion in order to prevent undefined starting operations.
  • the amplitude of the voltage preferably depends on the rated current of the motor, the motor inductance, or the Reactance of the motor inductance, from.
  • the impressed voltage brings significantly better useful signals for the evaluation, as an impressed current.
  • a sinusoidal voltage to the electric motor for a specific period of time, but not to detect the measured variable at the beginning at the same time, but preferably at the end of the feeding process for further processing. If the electric motor is fed with, for example, eight sinusoidal oscillations at 500 Hz, only the last three oscillation periods of the resulting current are evaluated for spectral analysis, but not the five initial oscillations. By intentionally suppressing transients, the quality of the measurement can be further improved.
  • the electric motor is subjected to a different electrical angle from the first control. At least two measurements are required to uniquely determine the starting rotor angle.
  • the spectral information from at least three measured variables. Since at least one measured variable is not absolutely necessary for the determination of the starting rotor angle, the measured values can be filtered, for example, by the method of the least squares. The quality of the angle determination can be further improved.
  • an incremental encoder which detects the movement of the engine.
  • the signals of the incremental encoder are detected between the at least two measurements and taken into account for the determination of the electrical starting rotor angle.
  • the electric starting rotor angle can thereby be determined with high accuracy in the case of an electric motor moving during the measurements.
  • FIGS. 1 a block diagram of an arrangement for electrical starting rotor angle determination
  • the FIG. 2 the course of the first harmonic I2 of the current as a function of the electrical rotor angle according to the prior art
  • the FIG. 3 the profile of the first harmonic divided by the third power of the fundamental as a function of the electric rotor angle according to the embodiment - each faced with a reference sinusoid
  • FIG. 4a the time-dependent course of the impressed voltage
  • the FIG. 4b the time-dependent detected detected current waveform
  • the FIG. 5 a more detailed representation of the ratio of the first harmonic to the third power of the fundamental wave as a function of the electrical rotor angle
  • FIG. 6 a flowchart of the method for determining the electric starting rotor angle.
  • the rotation of an electric motor 10 detects an incremental encoder 12 whose incremental encoder signal 30 reaches an evaluation unit 18.
  • An inverter 20 generates from a DC voltage of a DC intermediate circuit, which is provided by a supply module 22, approximately sinusoidal voltages or currents with which a first, a second and a third phase 24, 26, 28 of the electric motor 10 are acted upon.
  • the current flowing through the first phase 24 is detected by a first current sensor 14, the current flowing through the second phase 26 from a second current sensor 16, which are supplied as the first current value 32 and the second current value 34 of the evaluation unit 18.
  • a memory 19 is arranged in the evaluation unit 18 controls the inverter 20.
  • the electric motor 10 is in particular a permanent magnet synchronous motor is used.
  • the determination of the electric starting rotor angle is necessary for the targeted control of the motor 10 in order to achieve a movement in the desired approach direction.
  • in particular can be dispensed with an absolute encoder.
  • step 101 the evaluation unit 18 receives a corresponding activation signal in order to start the method for determining an electrical starting rotor angle ⁇ .
  • step 103 the voltage amplitude U and the starting phase angle ⁇ are determined as parameters for the approximately sinusoidal voltage to be impressed by the inverter 20.
  • the parameters of the voltage to be impressed such as the amplitude U and the starting phase angle ⁇ , can easily be determined as a function of the motor 10 to be controlled.
  • engine-specific parameters such as the maximum current IN, the motor winding inductance L and the motor resistor r are used.
  • engine-specific characteristics L, r, IN could, for example, be deposited in the memory 19 or in an electronic nameplate on the engine and be transmitted to the evaluation unit 18 in conjunction with the starting process, step 101.
  • This starting phase angle ⁇ indicates at which angle ⁇ the sinusoidal voltage U to be impressed is to be started in order to minimize transient phenomena, such as in FIG FIG. 4a indicated.
  • the exemplified dimensioning of the voltage U to be impressed on the one hand leads to a relatively high current i, on the other hand, however, does not cause the motor 10 to move yet.
  • the impression of a relatively large voltage amplitude ⁇ ensures namely that the saturation region of the iron is reached at which the nonlinearities to be evaluated occur.
  • the voltage U is dimensioned so that the maximum current IN of the motor is usually not exceeded.
  • the evaluation can be achieved particularly easily by impressing a voltage U, since the required current sensors are present.
  • the measuring principle could also be carried out with a current to be impressed.
  • the evaluation unit 18 controls the inverter 20 so that it outputs a sinusoidal voltage U, for example, the frequency 500 Hz with the amplitude ⁇ and the start phase angle ⁇ .
  • the first activation according to step 105 for example, the first phase 24 with the in FIG. 4a applied sinusoidal voltage, while the second and third phases 26, 28 are supplied with this inverted voltage values.
  • This activation according to step 105 is maintained, for example, for eight sinusoidal oscillations.
  • the activation period must always be selected so that the measurement times for the subsequent current measurement are outside of the transient processes. According to FIG. 4 It is assumed that the transient phenomena have decayed so far after five periods of the impressed voltage U, so that in the remaining three periods within the measurement time tm, the current profile of the self-adjusting current i can be recorded.
  • the in FIG. 4b shown and caused by the impressed voltage U current waveform i is, for example, by the first current sensor 14, optionally sampled, detected and passed to the evaluation unit 18.
  • the evaluation unit 18 detects the incremental encoder signal 30 with a corresponding strength value ⁇ 1. This is in particular the consideration of a possible way between the two measurements (step 107, step 111) moving engine 10.
  • the evaluation unit 18 determines from the detected current waveform i, such as in FIG. 4b represented, the spectrum, in particular the amplitude of the fundamental I1 and the amplitude of the first harmonic I2 of the associated spectrum of the current.
  • This second activation according to step 109 is now carried out, for example, with a field angle deviating from the first measurement, for example of 120 °.
  • the sinusoidal voltage to be impressed preserves the parameters ⁇ , ⁇ determined in step 103.
  • the second phase 26 with the in FIG. 4a shown sinusoidal voltage applied while the first and the third phase 26, 28 are driven with the voltage inverted thereto to obtain a relation to the first control (step 1010) changed known field angle (for example, in the described control 120 °).
  • the resulting Current history i the last three periods tm detected.
  • the second harmonic I2 is divided by the third power of the fundamental I1, so that the second point P2 results.
  • the incremental encoder angle ⁇ 2 is now also available at the time of the second measurement (step 111).
  • the electric starting rotor angle ⁇ should now be determined.
  • the first point P1 and the first incremental encoder angle ⁇ 1 are known only from the first measurement (step 107), and the second point P2 and the second incremental encoder angle ⁇ 2 from the second measurement (step 111).
  • the electric rotor angle 9 assumes a sinusoidal course. This is for example in FIG. 3 shown.
  • different ratios of the first harmonic I2 divided by the third power of the fundamental I1 were plotted depending on the electric rotor angle ⁇ . It can be a significantly improved sinusoidal course over the calculation method of the prior art ( FIG. 2 ), in which only the second harmonic I2 was used as a measure of the electrical angle ⁇ .
  • the motor 10 is driven offset by a further 120 °, ie, the third phase 28 is with a, such as in FIG. 4a shown sinusoidal voltage applied, the first and second phase 24, 26, however, with a voltage inverted thereto.
  • the resulting course of the current in the third phase 28 and the output signal of the incremental encoder 12, ⁇ 3 is detected.
  • the third point P3 is formed from the ratio of the first harmonic I2 divided by the cube of the fundamental I1.
  • P1, P2, P3 available, which should be approximately on a sine curve. This sine curve is determined using the three points as well as the three incremental encoder signals ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, for example, according to the least squares method. From this, the starting rotor angle ⁇ is determined.
  • the waveform of the excitation voltage need not necessarily be sinusoidal, a periodic oscillation is sufficient to determine the fundamental and the first harmonic of the detected quantity.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels eines Elektromotors vorgeschlagen, bei welchen der Elektromotor (10) mit einer in etwa sinusförmigen Spannung beaufschlagt wird. anschließend wird der zugehörige sich einstellende Stromverlauf (i) erfaßt. Nach einem erneuten Beaufschlagen des Elektromotors (10) mit einer in etwa sinusförmigen Spannung wird der dazugehörige weiters Stromverlauf (i) erneut erfaßt. Anschließend wird ein Verhältnis eines Maßes der Grundwelle (I1) und des Maßes der ersten Oberwelle (I2) aus den Stromverläufen (i) ermittelt als Maß für den elektrischen Startrotorwinkel (δ ).

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Ermittlung des elektrischen Startrotorwinkels nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus dem Artikel "detection of the starting rotor angel of a pmsm at standstill", C. Brunotte, W. Schumacher, EPE/97, Seiten 1250 bis 1253, wird eine Vorgehensweise zur Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels beschrieben. Hierzu wird ein permamentmagneterregter Synchronmotor mit einem sinusförmigen Strom von 500 Hz beaufschlagt. Von einem auftretenden Strom wird zur Bestimmung des elektrischen Rotorwinkels das Spektrum bestimmt. Aufgrund von Sättigungseffekten und daraus resultierender Asymmetrien des Stromverlaufs kann die Stellung des mit Spulen ausgestatteten Stators des Synchronmotors gegenüber dem mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor ermittelt werden. Beispielsweise anhand einer Fast-Fourier-Transformation wird aus dem gemessenen Stromverlauf der Koeffizienz der zweiten Harmonischen des Spektrums bestimmt. Dieser Koeffizient der zweiten Harmonischen ist ein Maß für den elektrischen Rotorwinkel.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, das eingangs beschriebene Verfahren zur elektrischen Startrotorwinkelbestimmung hinsichtlich der Genauigkeit weiter zu verbessert. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst.
    • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich nun dadurch aus, dass aus dem Spektrum der Meßgröße sowohl Grundwelle (erste Harmonische) als auch die erste Oberwelle (zweite Harmonische) ermittelt und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden als Maß für den Startrotorwinkel des Elektromotors, vorzugsweise Synchronmotor. Als besonders geeignet hat sich hierbei herausgestellt, zur Bestimmung des Startrotorwinkels die erste Oberwelle durch die dritte Potenz der Grundwelle zu dividieren. Dadurch können insbesondere Asymmetrien, die auf die Bauweise des Motors zurückzuführen sind, besser berücksichtigt werden. Dies wirkt sich positiv auf die Genauigkeit der Startrotorwinkelbestimmung aus, was sich anhand nachfolgend gezeigter Messkurven belegen lässt.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, den Elektromotor mit einer sinusförmigen Spannung zu beaufschlagen. Der den Elektromotor ansteuernde Wechselrichter fungiert somit als Spannungsgenerator. Die Amplitude und der Startphasenwinkel der einzuspeisenden Spannung lassen sich leicht an den jeweiligen Motor anpassen. Die Spannung ist einerseits so gewählt, dass zur leichteren Messwerterfassung ein hoher Strom fließt, der Motor jedoch andererseits noch nicht in Bewegung versetzt wird, um undefinierte Anfahrvorgänge zu unterbinden. Die Amplitude der Spannung hängt vorzugsweise von dem Nennstrom des Motors, der Motorinduktivität, beziehungsweise der Reaktanz der Motorinduktivität, ab. Die eingeprägte Spannung bringt deutlich bessere Nutzsignale für die Auswertung, als ein eingeprägter Strom.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, den Elektromotor für eine bestimmte Zeitspanne mit einer sinusförmigen Spannung zu beaufschlagen, die Messgröße jedoch nicht zugleich am Anfang, sondern vorzugsweise gegen Ende des Einspeisevorgangs für die Weiterverarbeitung zu erfassen. Wird der Elektromotor beispielsweise mit acht Sinusschwingungen bei 500 Hz gespeist, so werden lediglich die drei letzten Schwingungsperioden des resultierenden Stromes zur Spektralanalyse ausgewertet, nicht hingegen die fünf Anfangsschwingungen. Durch das gezielte Ausblenden von Einschwingvorgängen kann die Qualität der Messung weiterhin verbessert werden.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, zumindest zweimal die Messgrößen zu erfassen zur Bestimmung der Amplituden der Grundwelle und der ersten Oberwelle. Bei dem zweiten Erfassungsvorgang wird der Elektromotor mit einem von der ersten Ansteuerung unterschiedlichen elektrischen Winkel beaufschlagt. Zumindest zwei Messungen sind erforderlich, um eindeutig den Startrotorwinkel rechnerisch zu bestimmen.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, aus zumindest drei Messgrößen die spektralen Informationen zu erhalten. Da nun zumindest eine Messgröße nicht zwingend erforderlich ist zur Startrotorwinkelbestimmung, können die Messwerte zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate gefiltert werden. Die Qualität der Winkelbestimmung lässt sich weiter verbessern.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist ein inkrementeller Geber vorgesehen, der die Bewegung des Motors erfasst. Die Signale des inkrementalen Gebers werden zwischen den zumindest zwei Messungen erfasst und für die Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels berücksichtigt. Der elektrische Startrotorwinkel kann dadurch im Falle eines sich während der Messungen bewegenden Elektromotors mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
  • Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Es zeigen die Figuren 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur elektrischen Startrotorwinkelermittlung, die Figur 2 den Verlauf der ersten Oberwelle I2 des Stroms in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel nach dem Stand der Technik, die Figur 3 den Verlauf der ersten Oberwelle dividiert durch die dritte Potenz der Grundschwingung in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel gemäß dem Ausführungsbeispiel - jeweils einer Referenz-Sinuskurve gegenübergestellt, die Figur 4a den zeitabhängigen Verlauf der eingeprägten Spannung, die Figur 4b den zeitabhängig dargestellten erfassten Stromverlauf, die Figur 5 eine genauere Darstellung des Verhältnisses von erster Oberwelle zu der dritten Potenz der Grundwelle in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel sowie Figur 6 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Ermittlung des elektrischen Startrotorwinkels.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die Drehung eines elektrischen Motors 10 erfasst ein Inkrementalgeber 12, dessen Inkrementalgebersignal 30 an eine Auswerteeinheit 18 gelangt. Ein Wechselrichter 20 erzeugt aus einer Gleichspannung eines Gleichspannungszwischenkreises, die von einem Versorgungsmodul 22 bereitgestellt wird, näherungsweise sinusförmige Spannungen bzw. Ströme, mit denen eine erste, eine zweite und eine dritte Phase 24, 26, 28 des Elektromotors 10 beaufschlagt werden. Der durch die erste Phase 24 fließende Strom wird von einem ersten Stromsensor 14, der durch die zweite Phase 26 fließende Strom von einem zweiten Stromsensor 16 erfaßt, welche als erster Stromwert 32 und als zweiter Stromwert 34 der Auswerteeinheit 18 zugeführt werden. In der Auswerteeinheit 18 ist ein Speicher 19 angeordnet. Die Auswerteeinheit 18 steuert den Wechselrichter 20 an.
  • Als Elektromotor 10 kommt insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor zum Einsatz. Die Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels ist für die gezielte Ansteuerung des Motors 10 notwendig, um eine Bewegung in der erwünschten Anfahrrichtung zu erzielen. Bei dem Ausführungsbeispiel kann insbesondere auf einen Absolutwertgeber verzichtet werden.
  • Die Vorgehensweise zur Ermittlung des elektrischen Startrotorwinkels wird in Verbindung mit Figur 6 näher erläutert. In Schritt 101 erhält die Auswerteeinheit 18 ein entsprechendes Aktivierungssignal, um das Verfahren zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels δ zu beginnen. In Schritt 103 werden die Spannungsamplitude U sowie der Startphasenwinkel α ermittelt als Parameter für die von dem Wechselrichter 20 einzuprägende näherungsweise sinusförmige Spannung. Die Parameter der einzuprägenden Spannung wie die Amplitude Ü sowie der Startphasenwinkel α lassen sich leicht in Abhängigkeit von dem jeweils anzusteuernden Motor 10 bestimmen. Hierzu wird auf motorspezifische Kenngrößen wie der maximale Strom IN, die Motorwicklungsinduktivität L, sowie der Motorwiderstand r zurückgegriffen. Diese motorspezifischen Kenngrößen L, r, IN könnten beispielsweise in dem Speicher 19 oder in einem elektronischen Typenschild am Motor hinterlegt werden und in Verbindung mit dem Startvorgang, Schritt 101, zu der Auswerteeinheit 18 übertragen werden. Die Auswerteeinheit 18 ermittelt aus den motorspezifischen Kenngrößen L, r, IN die Spannungsamplitude Û beispielsweise nach folgender Formel: U ^ = 2 IN ⋅ r 2 + L ⋅ ω 2 ,
    Figure imgb0001
    wobei ω die Kreisfrequenz 2 π f bei einer Schwingung von beispielsweise f = 500 Hz ist.
  • Der Startphasenwinkel α wird nach der Formel ermittelt: α = arctan ω ⁢ L r ⋅
    Figure imgb0002
  • Dieser Startphasenwinkel α gibt an, bei welchem Winkel α die einzuprägende sinusförmige Spannung U gestartet werden soll, um Einschwingvorgänge zu minimieren, wie beispielsweise in Figur 4a angedeutet. Die beispielhaft genannte Dimensionierung der einzuprägenden Spannung U führt einerseits zu einem relativ hohen Strom i, der andererseits jedoch den Motor 10 noch nicht zu einer Bewegung veranlaßt. Die Einprägung einer relativ großen Spannungsamplitude Û stellt nämlich sicher, das der Sättigungsbereich des Eisens erreicht wird, bei dem die auszuwertenden Nichtliniaritäten auftreten. Andererseits ist jedoch die Spannung U so dimensioniert, dass der maximale Strom IN des Motors in der Regel nicht überschritten wird. Die Auswertung lässt sich durch die Einprägung einer Spannung U besonders leicht erreichen, da die erforderlichen Stromsensoren vorhanden sind. Andererseits könnte das Messprinzip, wie bereits im Stand der Technik beschrieben, auch mit einem einzuprägenden Strom durchgeführt werden.
  • Die Auswerteeinheit 18 steuert nun den Wechselrichter 20 so an, dass dieser eine sinusförmige Spannung U beispielsweise der Frequenz 500 Hz mit der Amplitude Û und dem Startphasenwinkel α ausgibt. Der ersten Ansteuerung gemäß Schritt 105 wird beispielsweise die erste Phase 24 mit der in Figur 4a gezeigten Sinusspannung beaufschlagt, während die zweite und dritte Phase 26, 28 mit jeweils hierzu invertierten Spannungswerten versorgt werden. Diese Ansteuerung gemäß Schritt 105 wird beispielsweise für acht Sinusschwingungen aufrecht erhalten. Der Ansteuerzeitraum ist grundsätzlich so zu wählen, dass die Messzeiten für die nachfolgende Strommessung außerhalb der Einschwingvorgänge liegen. Gemäß Figur 4 wird davon ausgegangen, dass die Einschwingvorgänge nach fünf Periodendauern der eingeprägten Spannung U so weit abgeklungen sind, sodass in den verbleibenden drei Periodendauern innerhalb der Messzeit tm der Stromverlauf des sich einstellenden Stroms i aufgenommen werden kann.
  • Der in Figur 4b gezeigte und von der eingeprägten Spannung U hervorgerufene Stromverlauf i wird beispielsweise von dem ersten Stromsensor 14, gegebenenfalls abgetastet, erfaßt und an die Auswerteeinheit 18 weitergegeben. Außerdem erfaßt die Auswerteeinheit 18 das Inkrementalgebersignal 30 mit einem korrespondierenden Stärtwert β1. Dies dient insbesondere der Berücksichtigung eines sich möglicher Weise zwischen den beiden Messungen (Schritt 107, Schritt 111) bewegenden Motors 10. Die Auswerteeinheit 18 bestimmt aus dem erfaßten Stromverlauf i, wie beispielsweise in Figur 4b dargestellt, das Spektrum, insbesondere die Amplitude der Grundschwingung I1 sowie die Amplitude der ersten Oberwelle I2 des zugehörigen Spektrums des Stroms. Unter Grundschwingung wird die Anregungsfrequenz der einzuprägenden Spannung U, beispielsweise 500 Hz, verstanden, unter erster Oberwelle das Doppelte der Anregungsfrequenz ( 2 · 500 Hz) verstanden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe der bekannten Fast-Fourier-Transformation oder mit den im Stand der Technik beschriebenen Algorithmen erfolgen. Daraus ergibt sich ein erster Wert P1, wenn folgende Formel Verwendung findet : l = I ⁢ 2 : I ⁢ 1 3 ,
    Figure imgb0003
    wobei I1 die Grundwelle, I2 die erste Oberwelle des Stromverlaufs i.
  • Der eindeutigen Bestimmung einer Sinuskurve gemäß Figur 5 bedarf es noch einer zweiten Messung, aus deren Auswertung der zweite Punkt P2 hervorgeht.
  • Diese zweite Ansteuerung gemäß Schritt 109 wird nun beispielsweise mit einem gegenüber der ersten Messung abweichenden Feldwinkel, beispielsweise von 120 °, durchgeführt. Die einzuprägende Sinusspannung behält die in Schritt 103 ermittelten Parameter Û, α bei. Nun wird jedoch die zweite Phase 26 mit der in Figur 4a gezeigten Sinusspannung beaufschlagt, während die erste und die dritte Phase 26, 28 mit der hierzu invertierten Spannung angesteuert werden, um einen gegenüber der ersten Ansteuerung (Schritt.105) veränderten bekannten Feldwinkel zu erhalten (beispielsweise bei der beschriebenen Ansteuerung 120 °). Wiederum wird der resultierende Stromverlauf i der letzten drei Perioden tm erfaßt. Nach der Spektralanalyse wird wiederum die zweite Oberwelle I2 durch die dritte Potenz der Grundwelle I1 geteilt, so dass sich der zweite Punkt P2 ergibt. Anhanddes Inkrementalgebersignals 30 steht nun auch der Inkrementalgeberwinkel β2 zum Zeitpunkt der zweiten Messung (Schritt 111) zur Verfügung.
  • In der nachfolgenden Auswertung gemäß Schritt 113 soll nun der elektrische Startrotorwinkel δ ermittelt werden. Bekannt sind lediglich aus der ersten Messung (Schritt 107) der erste Punkt P1 sowie der erste Inkrementalgeberwinkel β1, sowie aus der zweiten Messung (Schritt 111) der zweite Punkt P2 sowie der zweite Inkrementalgeberwinkel β2. Außerdem ist näherungsweise bekannt, dass der elektrische Rotorwinkel 9 einen sinusförmigen Verlauf annimmt. Dies ist beispielsweise in Figur 3 gezeigt. Hier wurden unterschiedliche Verhältnisse von der ersten Oberschwingung I2 dividiert durch die dritte Potenz der Grundschwingung I1 angetragen in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel ϕ. Es läßt sich ein deutlich verbesserter sinusfömiger Verlauf gegenüber der Berechnungsmethode nach dem Stand der Technik (Figur 2) erkennen, bei dem lediglich die zweite Oberwelle I2 als Maß für den elektrischen Winkel ϕ verwendet wurde. Der elektrische Startrotorwinkel δ kann nun numerisch anhand der nachfolgenden Gleichungssysteme ermittelt werden: δ = arctan b a
    Figure imgb0004
     P ⁢ 1 = a ⋅ sin ⁢ β ⁢ 1 + b ⋅ cos ⁢ β ⁢ 1
    Figure imgb0005
     P ⁢ 2 = a ⋅ sin β ⁢ 2 - 120 ⁢ ° + b ⋅ cos β ⁢ 2 - 120 ⁢ ° ,
    Figure imgb0006
    wobei P1= (I21) : (I11)3, P2= (I22) : (I12)3,
    wobei I11 die Grundwelle des Stromverlaufs i aus der ersten Messung (Schritt 107), I21 die zweite Oberwelle aus dem Stromverlauf i der ersten Messung (Schritt 107), I12 die Grundwelle des Stromverlaufs i aus der zweiten Messung (Schritt 111), I22 die zweite Oberwelle des Stromverlaufs i der zweiten Messung (Schritt 111).
  • Das obige Gleichungssystem mit drei Unbekannten und drei Gleichungen läßt sich eindeutig lösen. Mit dem nun bekannten elektrischen Startrotorwinkel δ ist eine gezielte Ansteuerung des Motors 10 mit Blick auf die gewünschte Anlaufrichtung möglich.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, zusätzlich zu den Ansteuerungen und Messungen der Schritte 105, 107; 109, 111 noch eine dritte Ansteuerung mit zugehöriger Erfassung durchzuführen. In der dritten Ansteuerung wird der Motor 10 um weitere 120 ° versetzt angesteuert, d.h. die dritte Phase 28 wird mit einer, wie beispielsweise in Figur 4a gezeigten sinusförmigen Spannung beaufschlagt, die erste und zweite Phase 24, 26 hingegen mit einer hierzu invertierten Spannung. Anschließend wird der sich ergebende Verlauf des Stroms in der dritten Phase 28 sowie das Ausgangssignal des Inkrementalgebers 12, β3 erfasst. In übereinstimmender Weise wird der dritte Punkt P3 aus dem Verhältnis der ersten Oberwelle I2 dividiert durch die dritte Potenz der Grundwelle I1 gebildet. Nun stehen also drei Punkte P1, P2, P3 zur Verfügung, die näherungsweise auf einer Sinuskurve liegen sollen. Diese Sinuskurve wird unter Verwendung der drei Punkte sowie der drei Inkrementalgebersignale β1, β2, β3 beispielsweise nach der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt. Daraus wird der Startrotorwinkel δ bestimmt.
  • Der Kurvenverlauf der Anregungsspannung muß nicht notwendiger Weise sinusförmig sein, eine periodische Schwingung genügt, um die Grundwelle und die erste Oberwelle der erfassten Messgröße zu ermitteln.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels eines Elektromotors, mit folgenden Schritten:
    Beaufschlagen des Elektromotors (10) mit einer periodischen elektrischen Größe (U),
    Erfassen eines zugehörigen ersten Verlaufs einer Meßgröße (i),
    Ermitteln eines ersten Verhältnisses (P1) eines Maßes einer Grundwelle (I1) und eines Maßes einer ersten Oberwelle (I2) aus dem Spektrum des ersten Verlaufs der Meßgröße (i), wobei die erste Oberwelle (I2) geteilt wird durch die dritte Potenz der Grundwelle (I1),
    erneutes Beaufschlagen des Elektromotors (10) mit einer periodischen elektrischen Größe (U),
    Erfassen eines zugehörigen zweiten Verlaufs der Meßgröße (i),
    Ermitteln eines zweiten Verhältnisses (P2) eines Maßes einer Grundwelle (I1) und eines Maßes einer ersten Oberwelle (I2) aus dem Spektrum des zweiten Verlaufs der Meßgröße (i),
    wobei die erste Oberwelle (I2) geteilt wird durch die dritte Potenz der Grundwelle (I1),
    Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels (δ) auf Grundlage des ersten Verhältnisses (P1) und des zweiten Verhältnisses (P2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor (10) mit einer periodischen Spannung (U) als periodische elektrische Größe (U) beaufschlagt wird und ein Stromverlauf (i) als Verlauf der Meßgröße ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (Û) sowie der Startphasenwinkel (α) bei einer in etwa sinusförmigen Spannung (U) in Abhängigkeit von mindestens einer motorspezifischen Kenngröße (IN, L, r) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Elektromotor (10) beaufschlagende elektrische Größe (U) in Abhängigkeit von zumindest einer motorspezifischen Kenngröße (IN, L, r) gebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) für eine vorgebbare Zeitspanne mit einer periodischen elektrischen Größe (U) beaufschlagt wird, wobei die Meßgröße (i) in einem gegenüber der Ansteuerzeit verkleinerten Meßinterval (tm) erfaßt wird.
  6. Vorrichtung zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels eines Elektromotors, mit einer Signalerfassung (18), die ein Ansteuersignal für einen Wechselrichter (20) erzeugt, der zumindest ein Ausgangsignal (32, 34) zumindest eines Sensors (14, 16) zugeführt ist, die aus einer erfaßten Meßgröße (i) zur Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels (δ) zumindest die erste Oberwelle (I2) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Startrotorwinkels (δ) die Auswerteeinheit (18) auch die Grundwelle (I1) der Meßgröße (i) und ein erstes (P1) und ein zweites (P2) Verhältnis eines Maßes der Grundwelle (I1) und eines Maßes der ersten Oberwelle (I2) bestimmt, wobei die Auswerteeinheit (18) erste Oberwelle (I2) durch die dritte Potenz der Grundwelle (I1) teilt und den Startrotorwinkels (δ) auf Grundlage des ersten Verhältnisses (P1) und des zweiten Verhältnisses (P2) bestimmt.
  7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertemittel (18) vorgesehen sind, die aus zumindest einer Motorkenngröße (IN, L, r) zumindest eine Amplitude (Û) und/oder einen Startphasenwinkel (α) einer elektrischen Größe (U) bestimmen, mit der der Elektromotor (10) angesteuert wird.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ein Inkrementalgebersignal (30) auswertet, um eine zwischenzeitliche Bewegung des Motors (10) bei der Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels (δ) zu berücksichtigen.
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